下一代無線電必須更具靈活性

將先進(jìn)的無線電標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為商業(yè)上可行的通訊設(shè)備，這其中面臨很多困難，而一個(gè)重要的障礙就是無法通過簡單的修改使產(chǎn)品適應(yīng)多個(gè)鏈路級標(biāo)準(zhǔn)和帶寬。這種狀況限制了硬件的商業(yè)使用壽命，反過來又影響了設(shè)計(jì)參數(shù)。簡言之，不能適應(yīng)技術(shù)或市場需求變化的無線手機(jī)，將無法獲得在工程資源方面的投資，而這恰是它們在競爭中存活下去的必要條件。

軟件定義無線電(SDR)提供了一整套無線電技術(shù)，可以進(jìn)行動態(tài)編程以支持各種不同的波形、滿足新涌現(xiàn)的鏈路級連接標(biāo)準(zhǔn)、提供新的通信協(xié)議和特性，并能改善性能和提供新服務(wù)。美國軍方目前已經(jīng)使用SDR為士兵配備無線電，以便士兵能無線下載軟件模塊，并與使用不同波形和頻率的支援飛機(jī)、偵察機(jī)以及其它軍事系統(tǒng)建立聯(lián)系。

SDR技術(shù)可以為商用無線手機(jī)供應(yīng)商帶來類似的優(yōu)勢嗎？這些供應(yīng)商不僅面臨較短產(chǎn)品生命周期和不同設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的困擾，還具有極高的成本敏感度。原則上，SDR似乎能夠提供現(xiàn)成且極具吸引力的解決方案，但在設(shè)計(jì)和實(shí)施優(yōu)化方案的時(shí)候，SDR卻面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?？傮w而言，如果一個(gè)硬件平臺足夠通用以支持軟件中的各種特性，那么它就必須集成昂貴的元件或消耗大量的功率，或者兩者皆有。有沒有方法能夠打破這種性能權(quán)衡的怪圈呢？


圖1：Pentek的雙數(shù)字上/下變頻模塊方案。

當(dāng)然我們有足夠的動機(jī)要這樣做。在連接的另一端，也就是基站，這樣做或許可以得到相當(dāng)大的回報(bào)。手機(jī)產(chǎn)品生命周期短暫這個(gè)現(xiàn)實(shí)，使一個(gè)直接的軟件方案對手機(jī)而言或許不像對無線基站那樣有很大的吸引力，通常人們認(rèn)為后者更加昂貴而且擁有更長的預(yù)期使用壽命。用軟件處理取代缺乏多頻帶能力的專用波形處理硬件，在一個(gè)基站的使用年限內(nèi)可以為運(yùn)營商節(jié)省數(shù)十萬美元。

但是手機(jī)的基本原理與基站不同。手機(jī)的目標(biāo)是：內(nèi)置支持功能使用戶可以添加新的服務(wù)，可以在跨國旅行中獲得有效的傳輸信號。這就要求手機(jī)具有接收并解碼各種波形(可能穿越多種帶寬)的能力。

基礎(chǔ)設(shè)施則不需要支持多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但是它必須能在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)與時(shí)俱進(jìn)演變的過程中不斷提供相應(yīng)的支持，它必須能夠?yàn)榛?ldquo;提供一張CD”，而后安裝軟件進(jìn)行升級，這種升級在一個(gè)已經(jīng)確定的波形標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)現(xiàn)著變化，或者通過增加協(xié)議來實(shí)現(xiàn)新特性。

對多個(gè)規(guī)范的支持

但是設(shè)計(jì)方法與具體的硬件架構(gòu)緊密相連，這就導(dǎo)致了從規(guī)范到最后嶄新硬件平臺的推出全都要從頭開始。這也就是為什么對硬件元器件的選擇可能造成設(shè)計(jì)方案極大不同的原因。

信號進(jìn)行數(shù)字化的過程越快，就越能更快利用軟件模塊來適應(yīng)不同的特性。考慮到設(shè)計(jì)的總體權(quán)衡，A/D轉(zhuǎn)換提供了一個(gè)機(jī)會?？梢圆捎靡韵路绞竭M(jìn)行：根據(jù)必須處理的通信信道數(shù)來優(yōu)化功率和成本，以滿足特殊需求。例如，與語音通信相比，可能要為網(wǎng)上沖浪分配更多的信道。

Pentek公司的方案(圖1)是考慮利用可以實(shí)現(xiàn)特定用途功能的FPGA來替代標(biāo)準(zhǔn)硬件部件。“如果能對FPGA進(jìn)行編程來處理數(shù)字化輸入，而且其處理能力與幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)DSP的效果相當(dāng)，那么整體成本和功耗肯定會大大降低。”Pentek的副總裁Rodger Hosking表示。

TI則采取了相反的作法，它將注意力集中在打造靈活的標(biāo)準(zhǔn)硬件上，以此來處理不斷增多的波形、帶寬和協(xié)議。“我們從幾年前就開始這樣做了。”TI無線部CTO Bill Krenik這樣說，“手機(jī)具有處理新帶寬所需的擴(kuò)展功能，將這種能力整合進(jìn)硬件平臺并且利用軟件實(shí)施控制的方案具有更高的性價(jià)比。”

TI能夠改善其制造工藝來滿足這些需求。TI目前的65nm工藝能針對多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)整合硬件，而在未來幾年隨著需求的增長，TI預(yù)期將能轉(zhuǎn)向32nm。據(jù)TI透露，這樣做不僅可以為集成更多標(biāo)準(zhǔn)提供空間，而且還可以降低整體功耗。

建模和仿真確有幫助嗎？

為今后以及仍未知的通訊特性打造一個(gè)不充分的硬件平臺所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，在這些特性以軟件實(shí)現(xiàn)之前是無法預(yù)知的。設(shè)計(jì)師或許在部署了某個(gè)硬件平臺之后，才能確定它缺乏支持所需特性的性能或電池功率，而為了進(jìn)一步發(fā)展，就必須逐步淘汰這個(gè)平臺。

第二個(gè)風(fēng)險(xiǎn)則來自于有關(guān)平臺的預(yù)測，在軟件實(shí)施這樣重要的部分沒有完成之前，無法輕易證明平臺是正確的。在硬件平臺還沒有部署的時(shí)候，很可能已經(jīng)導(dǎo)致了大量的設(shè)計(jì)返工或者產(chǎn)品上市延遲。

上述兩種風(fēng)險(xiǎn)都回避了這樣一個(gè)問題，即是否可能在項(xiàng)目的開始，就獲得對軟硬件失配性可能性的良好指引。解決該問題的方法之一就是對元器件進(jìn)行建模，并仿真它們之間的交互作用。硬件工程師多年來一直都在使用建模和仿真方法，但在其中加入軟件是否可行？

軟硬件模型現(xiàn)在正變得越來越貼近現(xiàn)實(shí)，有時(shí)候甚至可以作為直接實(shí)現(xiàn)的一部分來使用。像Mathworks和Wolfram Research這樣的分析軟件供應(yīng)商，可使設(shè)計(jì)人員生成全面的軟硬件交互模型，并對交互作用進(jìn)行仿真。通過這些，設(shè)計(jì)師能夠確認(rèn)并解決技術(shù)問題，并通過改變模型參數(shù)對“what if”情況進(jìn)行分析。

采用Wolfram的Mathematica分析軟件，軟硬件參數(shù)都可以利用數(shù)學(xué)語言進(jìn)行表述，而且以Mathematica編寫的運(yùn)行時(shí)算法可以與C++或Java代碼連接。雖然采用這種模型作為運(yùn)行時(shí)代碼可能會引發(fā)性能或代碼長度等問題，但最起碼這種模型本身在理解運(yùn)行于不同硬件配置下的軟件模塊行為方面很有用處。

而Mathworks公司提供的MatLab，在連接模型與實(shí)際的工作代碼方面更容易一些，它為包括通信在內(nèi)的若干功能提供標(biāo)準(zhǔn)模塊。例如，近期Mathworks發(fā)布了Communications Blockset 3，在設(shè)計(jì)和仿真通信系統(tǒng)物理層以及手持無線收發(fā)器等元器件方面，它的性能有所增強(qiáng)。

MatLab及其配套產(chǎn)品Simulink支持基于模型的設(shè)計(jì)，這是一種允許工程師生成軟硬件交互特定工作模型的技術(shù)。工程師可以利用它對這些交互行為進(jìn)行仿真，并根據(jù)已知假設(shè)來修改這些交互行為以獲得一個(gè)可接受的設(shè)計(jì)。一旦模型最終確定下來，就能將其夠轉(zhuǎn)化為Ｃ或其它語言，并將其作為軟件或固件實(shí)現(xiàn)的一部分。



圖2：通過使用基于商用模塊組的模型進(jìn)行特性仿真，Simulink幫助用戶獲得最優(yōu)化的硬件設(shè)計(jì)。

這樣的方法能夠在優(yōu)化硬件平臺和軟硬件交互方面提供優(yōu)勢。在軟硬件配置完成之前，這樣的優(yōu)勢是以額外的設(shè)計(jì)工作和權(quán)衡分析為代價(jià)的。該方法會在本已緊迫的開發(fā)周期之外增加額外的時(shí)間，但是能提高實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量。

最佳解決方案

因?yàn)椴豢赡軐ξ磥硭枰奶匦赃M(jìn)行完全準(zhǔn)確的預(yù)測，所以硬件平臺的設(shè)計(jì)歸結(jié)于智能預(yù)測。但是這些預(yù)測中仍然存在共性，即它們都基于過去的一些要求，應(yīng)該為未來提供工作指引：

1．盡可能多地使用所提供的處理能力，這里指的是通用處理器和DSP。增加帶有先進(jìn)數(shù)字特性的軟件模型會消耗掉所有這些處理能力。

2．特別對手機(jī)而言，鑒于其更高的性能、更大的存儲容量以及更多的軟件處理能力，電池使用壽命彌足珍貴。使用電源管理軟件或固件可以最大限度延長電池使用時(shí)間。

3．在開發(fā)周期內(nèi)，盡早進(jìn)行軟硬件交互建模。如果軟硬件中的一方在平臺部署之前發(fā)生變化或在平臺部署之后標(biāo)準(zhǔn)得到了發(fā)展，那么這樣做可以節(jié)省重新設(shè)計(jì)軟硬件的開銷。

4．在一切可能的地方使用標(biāo)準(zhǔn)硬件平臺和軟件模塊，當(dāng)然還要對功耗、性能和成本等方面進(jìn)行權(quán)衡取舍，但是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)平臺會提供已知的物理特性，據(jù)此還會提供各種軟件模塊。

不存在這樣法則，即在任何情況下都能提供最好的SDR無線收發(fā)器是，因?yàn)椴煌闆r間的差異太過南轅北轍?；径喽嗌偕倬哂懈嗟墓餐ㄌ匦?，所以為了適應(yīng)較長的生命周期，對技術(shù)上的權(quán)衡取舍雖然各有不同，但是卻同樣復(fù)雜。

通過使用多種硬件標(biāo)準(zhǔn)和附加的軟件，供應(yīng)商們正在越來越多地延長設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的使用周期。設(shè)計(jì)師能夠明智地應(yīng)用這些部件，以確保無線產(chǎn)品更高程度的兼容性。